智能閥門控制器的嵌入式設計與開發

薛桂娥

embedded design and development of intelligent valve controller

摘要：近年來閥門電動裝置逐漸取代機械執行機構,成為一個不可或缺的執行單元在工業控制系統中.本文首先對閥門電動裝置的研究的現狀及趨勢做了詳細的介紹，結合一些功能要求對智能電動執行機構進行研究，對執行器的各個部分進行了設計和開發。該系統低功耗、耐高溫、能長時間穩定運行在高溫和惡劣的井下環境。

關鍵詞：電動閥門；執行機構；智能；井下環境

Abstract:Valve electric device in recent years gradually replace mechanical actuators, become a indispensable execution units in the industrial control system. This paper firstly studies the status quo and trend of valve electric device is introduced in detail, combined with some functional requirement of intelligent electric actuator is studied, various parts of the actuator for the design and development. Low power consumption, high temperature resistant, the system can run stably for a long time at high temperatures and harsh downhole environment.

keywords:electric valves; Enforcement agencies; Intelligent; The underground environment

引言

閥是石油、化工、各種低溫工程、海洋等國民經濟各部門不可缺少的控制設備,在發電廠、污水處理、石油和其他工業現場,很多閥門被廣泛的應用如：截止閥,閘閥,蝶閥等。控制閥門電動裝置,有時被稱為閥驅動控制器和閥電動執行機構等等,電動執行機構與傳統的機械傳動裝置相比，具有反應速度快、效率高、良好的調速性能，它作為一種重要的設備控制和驅動閥。遠程控制、自動控制、集中控制要想應用在閥的控制上,閥電動執行機構是必不可少的。

近年來,在智能儀器儀表的領域重點發展的技術是數據通信、智能現場設備和開放系統。電動執行機構的實用階段是控制系統的雙向、全數字化、多站通信的發展、現場總線等。智能電動執行機構在近年來發展迅速。然而,我們對國內外的產品進行分析,我們國內的電動執行機構產品存在很多問題,控制精度較低、結構不合理、穩定性差等等,使得產品跟不上社會的步伐。國外的產品雖好，但是價格就非常的貴，售后的服務也不是很好。所以開發一套符合我們使用習慣的新型智能電動閥門執行機構的產品是十分有意義的。

1.總體設計方案

智能電動執行機構是集機、電、儀為一體的機電一體化系統,系統較為復雜,設計必須首先,根據系統的特點要求完成總體設計,總體設計原則是“簡單實用,操作方便,安全可靠,先進技術”,這一主題的原則的優點在國內外同類產品的基礎上爭取一個突破和創新,智能電動執行機構的設計工作原理框圖如圖1所示。

圖1 工作原理圖閥門電動執行機構

智能電動執行機構是一個常規的儀器，它具有控制、檢測等功能，系統由控制、通信、顯示、保護等構成、我們把它分為兩個部分：執行部分和控制部分；執行部分主要是電動機、傳感器、各種部分等組成。控制部分主要由PLC、馬達、接觸器等組成；通過圖1可以看出，智能閥門控制是閉環控制，控制電機的運行主要由反饋信號和設置信號，控制精度較高。

2.系統硬件設計

2.1 設計原則

（1）模塊化的原則

模塊化的設計，基本設計思想是系統自上向下設計，把系統分為各個子系統，分別進行設計。這樣進行設計，方便檢查缺陷和簡化設計工作。模塊化設計系統為未來設計帶來極大的便利,良好的模塊設計可以使系統變成各個模塊的組合。

（2）標準化的原則

標準化包括兩個方面：自定義標準和法定的標準，標準化的設計可以為今后的設計工作帶來極大的便利。

（3）復用的原則

在硬件的設計中，盡量采用模塊化的設計，在以后的設計中可以使用，盡量減少錯誤。一般來說，要更新一個系統，其實就是改變其核心硬件的設計，就可以更新產品。系統的前期采用模塊化的設計，可以使產品的后續開發節省時間和成本。

2.2 電機的驅動設計

交流接觸器的使用有很多優點，如壽命長、寬電壓等。采用LC1-D18施耐德公司的產品用于電機控制

其控制原理圖如圖2所示:正轉,正轉按鈕SBF關閉接觸器KMF 電動關閉,然后電動機M正轉;同理,逆轉,SBR反向按鈕關閉,換向接觸器KMR電動關閉,

所以電機M反轉。為了防止KMF和KMR導通的同時,在電源電路、串聯電路中KMR KMF聯鎖控制。

圖 2可逆交流接觸器控制原理圖

2.3 微控制器與PLC之間的通信

我們使用得PLC提供了RS485接口與外部設備通信,因此可以使用RS485通信方式完成單片機與PLC之間的通信。

??ATmega128A自帶的接口用于同步異步串行通信,由于單片機的輸出是TTL電平，所以要進行轉化，應用MAX485芯片進行轉換，如圖3所示。

圖3 PLC與微控制器之間的通信原理圖

3.系統抗干擾設計

有三種干擾主要進入信號產生干擾，電磁感應、電源線、傳輸通道。一般來說，通過電磁感應強度的干擾信號的電路系統遠遠少于其他兩路對電路的干擾, 對電磁感應使用良好的接地和屏蔽，師徒切斷從電源線和信道的干擾。

3.1印制電路板的抗干擾措施

在實踐中,原理圖設計正確，但是電路板設計不好也會降低電子產品的可靠性。例如,如果PCB接地阻抗較高,公共阻抗耦合干擾在組件之間形成,如果兩線平行于PCB附近,會形成信號延遲,形成反射噪聲在輸電線路終端,因此,我們設計電路板的時候要將不利的影響降低到最小，使一些干擾得到抑制

本文設計的智能電動執行機構控制系統,主要抗干擾措施:

(1)選擇低功耗、小電流的組件,從而降低了板線的電磁干擾和產生的熱量；

(2)在焊接元件的過程當中，找有經驗的人指導，避免在焊接的過程當中對元器件造成損壞；

(3)單獨的數字模擬地面和單獨電源端地。為了防止地面所引起的電流變化的不穩定,導致電子設備對信號電平和噪聲性能不能很好的濾除,我們選擇線寬度大于3毫米;

(4)使用粗短的電源線和接地線,并盡量使它們靠近,其走向和信號傳輸方向相同；

(5)原件表面和焊接表面印刷電路板組件引線應垂直,為了減少寄生電容。

3.2接地技術

在智能電動執行控制系統中接地是一個重要的問題，接地的問題處理是否合理，將影響系統的安全運行。主要包括兩個方面：（1）接地位置，防止部分串擾控制系統;(2)地面剛性,使接地點良好接地,以防止接地線下降。

地線種類很多,大致有以下幾種：

(1)數字地,也被稱為邏輯。它是一個微型控制系統在數字電路的零電位;

(2)模擬地，模擬電路的一部分,它是潛在的放大器,采樣/保持器和A / D轉換,輸入信號是零電位;

(3)信號接地,傳感器的零點;

(4)功率地,指的是大電流驅動點的零電位,也被稱為負載;

3.3去耦電容的配置

在數字電路當中，電路狀態的轉換，可以產生一個峰值電流對電路進行干擾。直流電源負載的變化也會產品干擾。想去除干擾解決的辦法就添加去耦電容，在繪制電路板的時候添加去耦電容。具體方法是：

(1)電源輸入端接10 - 100uf(包括電解電容器);

(2)配置了0.01 uF陶瓷電容器在每個集成電路的芯片旁;

(3)對ROM、RAM、存儲設備和抗噪聲能力弱,切斷電流變化大時,電源線和芯片之間直接地線和直接接入去耦電容器；

3.4采用光電隔離技術

控制單元直接和輸入輸出通道連接，干擾信號比較容易管理不論是數字信號還是模擬信號。通過隔離消除干擾，光電耦合器可以有效地消除脈沖噪聲和干擾,只有接觸系統信號測量和控制系統,但不是電接觸,以便輸入和輸出通道信噪比大大提高了。這是因為:

（1）光電耦合器的輸入阻抗和源內阻相比很小，干擾源于高內部輸入阻抗串聯。當有干擾的時候，輸入阻抗的分壓小。對光電耦合器的干擾很小。光敏三極管工作在一定的工作光強度。電壓值很高，也不能使二極管發亮。被抑制，有用的信號通過光電耦合器；

（2）分布電容和絕緣電阻很大，輸入電路的干擾很難通過光電耦合器。因此，有用的信息通過，有效的抑制干擾信號；

（3）光電耦合器工作在密封的環境，外界很難干擾；

3.5 電磁兼容性的問題

電磁兼容是一種能力,它可以工作在電磁環境,沒有干擾的環境。所以電磁兼容產品必須具備兩個條件1.系統具有較強的抗干擾能力；2.系統本身不能成為干擾源；設計的電路注意下面幾點：

（1）消除不均勻地面電位;參考潛在的硬件電路,理想情況下,電路板上的每個潛在點電位是相同的,但事實上并非如此。消除措施包括增加大地面積和降低接地系統的負載電容組件,降低PCB布線的電源和接地電感器,選用接地引線和電源插腳距離短形式的封裝等。

（2）接地散熱器；它有冷卻效果,屏蔽效果,解耦效果；

（3）時鐘源的電源濾波方法,必須放置在處理器時鐘振蕩器的附近,并且盡可能接近處理器時鐘輸入插腳。

4.結論

經過不斷對智能電動執行機構進行研究,通過不斷學習和創新,大量的調查和研究工作。初步完成智能閥門控制器的設計,最終目標應用智能閥門控制器在工業的領域。發展過程必然接受檢驗在實踐中,不斷發現不足之處,提出了新的要求,逐步向工業化的道路前進;

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